使用基因编码的荧光探针可以在突触和细胞分辨率下监测体内神经元信号，这是揭示动物神经活动复杂机制的关键。使用双光子显微镜（2PM）可以以亚细胞分辨率对钙离子传感器和谷氨酸传感器成像，从而测量不透明大脑深处的活动；成像膜电压变化能直接反映神经元活动，但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快。目前电压成像主要通过宽场显微镜实现，但它的空间分辨率较差并且于浅层深度。因此要在不透明的大脑中以高空间分辨率对膜电压变化进行成像，需要明显提高2PM的成像速率。光子显微成像技术不是什么新技术，早在20多年前就有了，目前已经在生命科学和材料科学中广泛应用。多光子显微镜飞秒激光
对于双光子成像而言，离焦和近表面荧光激发是两个比较大的深度限制因素，而对于三光子成像这两个问题大大减小，但是三光子成像由于荧光团的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高数量级的脉冲能量才能获得与2P激发的相同强度的荧光信号。功能性3P显微镜比结构性3P显微镜的要求更高，它需要更快速的扫描，以便及时采样神经元活动；需要更高的脉冲能量，以便在每个像素停留时间内收集足够的信号。复杂的行为通常涉及到大型的大脑神经网络，该网络既具有局部的连接又具有远程的连接。要想将神经元活动与行为联系起来，需要同时监控非常庞大且分布普遍的神经元的活动，大脑中的神经网络会在几十毫秒内处理传入的刺激，要想了解这种快速的神经元动力学，就需要MPM具备对神经元进行快速成像的能力。快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。共聚焦多光子显微镜Ultima Investigator目前中国显微镜中如多光子显微镜、共聚焦扫描和电子显微镜等。
双光子显微镜工作原理是将超快的红外激光脉冲传输到样品中，在样品中与组织或荧光标记相互作用，这些组织或荧光标记发出用于创建图像的信号。双光子显微镜被多用于生物学研究，因为它能够产生高分辨率的3-D图像，深度达1毫米。然而，这些优点带来了有限的成像速度，因为微光条件需要逐点图像采集和重建的点检测器。为了加快成像速度，科学家之前开发了一种多焦点激光照明方法，该方法使用数字微镜设备(DMD)，这是一种通常用于投影仪的低成本光扫描仪。此前人们认为这些DMD不能与超快激光一起工作。然而现在解决了这个问题，这使得DMD在超快激光应用中得以应用，这些应用包括光束整形、脉冲整形、快速扫描和双光子成像。DMD在样品内随机选择的位置上产生5到30点聚焦激光。
基于多光子显微镜的神经成像技术原理：多光子显微镜可用于深度成像和三维成像，因此可用于拍摄不透明的厚样品。目前主要使用的多光子显微镜包括双光子显微镜和三光子显微镜。双光子显微镜的结构与共焦类似，区别在于：1)双光子显微镜的激发光波长比共焦长，能量较低，但穿透能力较强；2)双光子显微镜没有小孔，提高了检测效率；3)双光子显微镜成像深度较快提高。那么，为什么双光子能具有共焦显微镜所没有的优势呢？原因是它采用双光子激发方式。使用波长较长的激发光子，光子的能量较低，因此电子需要吸收两个这样的激发光子才能达到激发态，从而释放出一个荧光光子。因此，荧光信号的强度与光强的平方成正比。因为焦点处的光强较大，只能在焦点处激发荧光。波长越长，穿透力越强，因此双光子显微镜的成像深度大于共焦显微镜。由于两个光子只在焦点激发荧光，不需要小孔，而是将所有的荧光都收集起来，提高了检测效率。三光子显微镜的原理类似于双光子显微镜，利用三个激发光子可以实现更深的成像深度。由于使用了更长的激发波长，穿透能力更强，成像深度更大。此外，由于较强的非线性效应，荧光信号的强度与光强的立方成正比，因此比双光子具有更低的非聚焦激发和背景噪声。 双光子共聚焦显微镜比单光子共聚焦显微镜具有更亮的横向分辨率和纵向分辨率。
单束扫描技术可以高速遍历大视场（FOV）的神经组织：使用MPM对神经元进行成像时，通过随机访问扫描—即激光束在整个视场上的任意选定点上进行快速扫描—可以只扫描感兴趣的神经元，这样不仅避免扫描到任何未标记的神经纤维，还可以优化激光束的扫描时间。随机访问扫描（图1）可以通过声光偏转器（AOD）来实现，其原理是将具有一个射频信号的压电传感器粘在合适的晶体上，所产生的声波引起周期性的折射率光栅，激光束通过光栅时发生衍射。通过射频电信号调控声波的强度和频率从而可以改变衍射光的强度和方向，这样使用1个AOD就可以实现一维横向的任意点扫描，利用1对AOD，结合其他轴向扫描技术可实现3D的随机访问扫描。但是该技术对样本的运动很敏感，易出现运动伪影。目前，快速光栅扫描即在FOV中进行逐行扫描，由于利用算法可以轻松解决运动伪影而被普遍的使用。多光子显微镜适用于动物大脑皮层深层（400微米）细胞的形态、生理学研究。荧光多光子显微镜层析成像
多光子显微镜市场集中，由于投产生产的成本较高，技术难度大，目前涌现的新企业不多。多光子显微镜飞秒激光
1，光源、光路高度整合通过精密的设计，将飞秒激光器、扫描振镜、PMT、滤光片组，甚至是单光子荧光光路全套整合在一个不大的扫描头（ScanHead）内，无论扫描头如何移动，扫描头内的光路都可以保持稳定不变，从而实现了超稳定、免维护的特点。2，配合多维度、高精度机械控制系统。扫描头直接架设在一个多维运动的机械装置上，可沿任意方向和角度移动扫描头，方便对动物样本进行多方位的扫描观察。而这在常规方案的多光子显微镜上有很大的实现难度，不但需要多个关节组合的光路导向机构，并且在这些关节旋转的时候，都冒着极大的光路偏移的风险，以至于在使用一段时间后都需要对光路进行再次校准，而这样的问题在我司上则完全不会发生。3.一机多能。 多光子显微镜飞秒激光
